《Sustainability》：A Calibrated Building Energy Simulation-Driven Framework for Balancing Embodied and Operational Carbon in the Transition to Zero-Emission Buildings
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教育建筑约占建筑部门能源消耗的17%，这使得它们对零排放建筑（ZEB）策略至关重要。由于学生将超过50%的时间花在室内，生命周期碳评估和有针对性的改造对于在校园内实现联合国可持续发展目标至关重要。本研究开发了一个全面的生命周期碳评估框架，该框架利用校准的建筑能
教育建筑约占建筑部门能源消耗的17%，这使得它们对零排放建筑（ZEB）策略至关重要。由于学生将超过50%的时间花在室内，生命周期碳评估和有针对性的改造对于在校园内实现联合国可持续发展目标至关重要。本研究开发了一个全面的生命周期碳评估框架，该框架利用校准的建筑能耗模拟（Calibrated Building Energy Simulation），同时评估校园设施的隐含碳和运行碳排放。该研究评估了两个不同的大学建筑进行分析：意大利科森扎（地中海气候）的一座1970年代的历史教育建筑和土耳其安卡拉（半干旱/大陆性气候）的一座2009年的现代建筑。为了最小化总碳足迹，研究人员系统地模拟并比较了七种不同的改造方案：添加光伏（PV）板、在窗户上集成太阳能薄膜、应用内部和外部保温、实施绿色墙面应用、应用心理自适应暖通空调控制以及降低供暖设定点温度。结果表明，心理自适应暖通空调控制是最有效的，在两个案例中实现了约19.3%的运行碳节省，且隐含碳代价低。相反，绿色墙面应用效果最差，碳回收期为53.55年。最终，本研究为将校园建筑转变为净零排放教育设施提供了可操作的工程路径。
**研究背景、问题与意义**
随着气候变化影响加剧，减少温室气体（GHG）排放已成为全球紧迫优先事项。建筑与施工行业贡献了全球近40%的能源消耗和约三分之一的二氧化碳（CO2）排放，因此将建筑环境转变为零排放建筑（ZEB）是实现《巴黎协定》等国际气候目标的关键策略。在区域层面，土耳其等快速城市化的发展中国家，建筑部门占国家碳足迹的很大一部分，且已设定2053年净零排放目标；意大利等欧洲国家则面临老旧能源低效基础设施的改造挑战，需遵循《欧洲绿色协议》实现2050年气候中和。教育建筑，特别是大学校园，因其复杂基础设施、多样建筑类型和连续运行计划，成为能源密集型环境，且学生超过50%时间在室内，故热舒适性与碳减排需兼顾。然而，现有改造策略多聚焦于运行碳（如供暖、制冷、照明的日常能耗），忽视了隐含碳（建筑材料提取、制造、运输和安装全生命周期的排放）。随着建筑运行效率提高，隐含碳占比急剧上升，导致追求ZEB时出现复杂权衡：先进改造措施（如光伏板、太阳能薄膜、保温层）可大幅降低运行能耗，但需大量前期碳投资。若隐含碳超过运行碳节省，则可能增加整体环境影响。虽然生命周期碳评估（LCCA）已广泛使用，但将隐含碳与运行碳在同一框架内联合评估，并跨不同年代和气候区比较的研究仍不足。为此，本研究开发了一种由校准的建筑能耗模拟（BES）驱动的综合生命周期碳评估框架，旨在同时评估和平衡校园设施的隐含碳与运行碳排放，且不牺牲学生热舒适。通过选取两所不同年代和气候的大学建筑（意大利科森扎1970年建筑与土耳其安卡拉2009年建筑）进行跨代际和跨气候比较分析，系统模拟并比较了七种改造方案（添加光伏板、集成太阳能薄膜、内部和外部保温、绿色墙面、心理自适应暖通空调控制、降低供暖设定点温度），以揭示材料隐含碳与运行碳节省之间的微妙权衡，为决策者将历史与现代大学建筑转变为净零排放教育设施提供可操作路径。论文发表在《Sustainability》。
**主要技术方法**
研究人员开发了一种多阶段方法，结合高保真BES工具（DesignBuilder v7/v8）、连续微气候监测（HOBO传感器）用于校准，以及生命周期评估（LCA）数据。校准过程遵循ASHRAE Guideline 14，以平均偏差误差（MBE）和均方根误差变异系数（CV(RMSE)）作为模型验证指标。生命周期碳核算框架涵盖运行碳（基于模拟的每小时电力和天然气消耗，乘以区域电网碳强度因子和天然气排放因子）和隐含碳（基于材料清单和生命周期清单（LCI）数据库如ICE或产品环境声明（EPD）的排放因子，边界为Cradle-to-Gate A1-A3阶段）。样本队列来源：意大利科森扎卡拉布里亚大学1970年建筑（Case I，地中海气候，建筑面积2337.56 m2）和土耳其安卡拉大学2009年建筑（Case T，半干旱/大陆气候，建筑面积13,572 m2），仅模拟教室区域（2629 m2和412.31 m2）。
**研究结果**
**6.1 BES校准与验证**
研究人员通过HOBO传感器在2023年1月1日至11月30日期间采集室内空气温度和相对湿度数据，并结合电力和能源账单对BES模型进行校准。校准后的模型满足ASHRAE Guideline 14阈值（MBE<10%，CV(RMSE)<30%），确保了基线能量数据的可靠性。
**6.2 方案结果**
基线条件显示：Case T单位面积能耗（284.00 kWh/m2·年）约为Case I（128.78 kWh/m2·年）的2.2倍，30年运行碳（OC）为7,209,930 kgCO2e，是Case I（391,860 kgCO2e）的18倍，凸显了建筑年代和气候对生命周期碳输出的重要影响。
- **光伏板集成（S1）**：在两个案例中均降低OC，但回收期不同。Case T嵌入碳（EC）17,406 kgCO2e，碳回收期（PPc）0.21年；Case I EC 2,475 kgCO2e，PPc 1.44年。策略可行，但电力消耗重新分布。
- **太阳能薄膜（S2）**：Case T OC降至5.899百万kgCO2e，PPc接近0年；Case I EC 39 kgCO2e，OC降至389,670 kgCO2e，PPc 0.53年。碳效率极高。
- **内部保温（S3）和外部保温（S4）**：Case T中，20 cm岩棉使总能耗降低约61%，OC降至3.31百万kgCO2e，PPc 0.31年；Case I中，同样保温导致OC增至414,300 kgCO2e（内部）和411,300 kgCO2e（外部），超过基线，PPc“不适用”，表明存在“过度保温”陷阱。
- **绿色墙面（S5）**：Case I中EC 22,116 kgCO2e，OC降至379,470 kgCO2e，但PPc达53.55年（超过30年运营期），碳效率低；Case T中，OC增至7,398,750 kgCO2e，总生命周期碳达7,539,770 kgCO2e，PPc不可计算，在安卡拉大陆性气候下完全失效。
- **心理自适应暖通空调控制（S6）**：零材料投资，EC=0，Case I OC降至316,200 kgCO2e（减少19.3%），Case T OC降至5,814,600 kgCO2e（减少19.3%），PPc=0年。同时热不舒适小时数减少（Case I从657.85降至621.12 h，Case T从3147.14降至3116.44 h），维持了热舒适。
- **降低设定点温度（S7）**：零材料投资，EC=0，Case I OC降至342,660 kgCO2e（减少12.5%），Case T OC降至4,383,400 kgCO2e（减少39.2%），PPc=0年。
**讨论与结论**
讨论部分指出，动态模拟揭示了隐含碳与运行碳权衡的复杂气候与年代依赖性。保温方案（S3/S4）在Case T中成功，但在Case I中因过度保温导致运行碳增加；绿色墙面（S5）在Case I中碳回收期超运营期，在Case T中完全失效。相反，主动和算法策略（S6和S7）提供即时碳缓解，其中心理自适应HVAC系统（S6）通过零嵌入碳实现显著运行碳节省，且不牺牲舒适性。研究局限性包括：隐含碳仅限Cradle-to-Gate边界，未考虑运输、施工和报废；运行碳计算假设恒定电网碳因子；模拟仅针对教室区域；心理自适应模型依赖经验样本；未集成经济优化或生命周期成本分析（LCCA）；气候数据采用历史典型气象年（TMY），未考虑未来气候变化。
研究结论翻译如下：在本研究中，建立了一个由BES模型驱动的全面生命周期碳评估框架，用于确定改造干预措施相关的隐含碳与高等教育建筑整个使用寿命期间实现的运行碳减少之间的最佳平衡。对地中海气候中的老校区建筑和半干旱大陆性气候中的相对现代校园建筑进行的比较评估表明，通用改造策略无法有效应用于不同建筑存量。相反，建筑年代、气候条件和围护结构现有热特性成为最合适脱碳路径的主要决定因素。基于严格校准的建筑能耗模拟模型的分析揭示了几个重要发现。首先，安卡拉建筑的基线运行碳排放因其更寒冷的气候条件、较差的保温性能和更大的供暖需求而显著高于意大利案例。这强调了区域气候和建筑年代对教育设施长期碳性能的主导影响。对安卡拉建筑应用高性能岩棉保温显著降低了供暖能耗和运行碳排放，且碳回收期极短。相比之下，在已具有较低热导率保温墙体的意大利建筑中实施相同保温策略，导致内部得热过度滞留，需要在冬季和过渡季节额外用电维持室内热条件，最终增加运行碳排放。这些发现清楚地说明了温和气候地区过度保温的风险。绿色墙面系统在地中海气候条件下通过增强立面性能和缓解太阳得热，产生了适度的运行碳减少。然而，当应用于大陆性气候时，增加的基质湿度和局部微气候效应提高了冬季供暖需求，抵消了环境效益，导致总体碳惩罚。这一结果突显了基于自然的外墙技术的气候依赖性。在所有评估的改造方案中，最 promising 的结果来自集成了Turhan和?zbey系数的双人工智能建筑控制系统，该系统将 occupant 心理学和认知负荷纳入热舒适管理。作为一种软件导向的解决方案，该方法不引入额外隐含碳，同时在不损害 occupant 舒适性的情况下，在两座建筑中实现了运行碳的显著减少。这些发现表明，将以人为本的智能控制算法集成到BES平台中，为减少建筑排放提供了高效路径，且无需承担材料密集型改造措施的环境负担。总体而言，研究结果表明，在已具有优化围护结构的地中海气候建筑中，应优先考虑可再生能源集成、智能能源管理和先进太阳能控制技术，而非额外保温层。相反，在冬季严酷的大陆性气候中，围护结构保温仍然是关键的脱碳措施。然而，由心理自适应自动化支持的自适应智能BES模型控制策略，代表了加速高等教育建筑向净零碳性能转型的最快速、最经济且环境可持续的解决方案。
